差分齿轮驱动机器人腿机构及控制方法技术

技术编号:13748356 阅读:83 留言:0更新日期:2016-09-24 06:46
本发明专利技术公开了一种基于差分齿轮驱动方式的机器人腿及控制方法,属于机器人技术领域。本发明专利技术通过同时改变髋关节第一驱动电机(19)和髋关节第二驱动电机(20)的运动速度和方向,同时实现机器人大腿的前后和上下运动;通过膝关节驱动电机(7)实现小腿的运动,关节位置通过膝关节角度传感器(4)、髋关节角度传感器(14)测量后,通过PD控制算法实现;机器人腿运动过程中,通过嵌入小腿中的接触传感器(22)感知足与环境的接触状态,通过固定到小腿上的距离传感器(21)感知足端与接触面的距离,通过阻抗控制算法,实现足端与环境的柔顺控制,有效减小接触过程的冲击。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种差分齿轮驱动机器人腿机构及控制方法,属于特种机器人领域。可应用于反恐、搜救、狭小空间探测、安全保卫、航空宇航和城市服务业和教育等领域。技术背景非结构环境下机动灵活的机器人具有广泛而迫切的需求。足式机器人是其中重要类型,而在足式机器人中,四足机器人又是一个重要分支,而且得到了极大的关注,今年来也得到了长足的发展。尤其在国外,如美国谷歌公司收购的波士顿公司所开发的Bigdog机器人、后期的LS3机器人小队以及猎豹机器人等,其他的如意大利的HyQ机器人和瑞士苏黎世工学院的四足机器人等,都具有很高灵活性和机动性能和强稳定性。为保证其高机动性、高适应性和负载能力,这些机器人多采用了液压或者液压-电机混合驱动的形式。机器人灵巧的运动,不仅跟控制系统性能及其方法直接相关,而且其自身的机械特征更是其高性能的基础,机器人的自身结构决定了其可能的性能。对足式机器人来说,腿是机器人的关键部件。驱动方式的规划,腿各部分比重的设计直接影响机器人的性能。机器人动力学方程中的哥氏力项是一项比较复杂部分,而且是多关节机器人动力学方程中必然出现的项。在机器人控制研究中,往往被直接忽略掉,而实际设计的机器人在运动过程中,这一部分也可能在动力学方程中占较大比例。如果哥氏力部分影响较大,直接简化的动力学方程与实际系统相差较多,据此设计出来的控制方法也达不到理想的效果。因此,如果机器人机构设计不仅可以使机器人动力学方程简化,而且也可以极大降低机器人控制系统中代码的运算复杂度。
技术实现思路
基于上述背景,本专利技术提出了一种差分齿轮驱动机器人腿机构及控制方法。利用运动传递作用,把质量较重的电机等部件安装在机身上,有效降低机器人腿的重量,使简化哥氏力项后的机器人动力学方程仍能体现机器人特征,据此设计的控制方法能有效控制机器人的运动。一种差分齿轮驱动机器人腿机构,包括大腿,小腿和足;其特征在于:上述足通过脚踝连接于所述小腿下方,所述的脚踝为弹簧阻尼结构,所述足为弹性小球;上述小腿通过膝关节与所述大腿相连,所述膝关节包括膝关节轴、膝关节从动锥齿轮、膝关节主动锥齿轮,膝关节从动锥齿轮与膝关节主动锥齿轮参数相同,膝关节从动锥齿轮安装于膝关节轴上,膝关节主动锥齿轮安装于膝关节驱动电机的输出轴,膝关节驱动电机安装于大腿上,膝关节驱动电机的输出轴与膝关节轴垂直;上述大腿通过髋关节与机身相连,所述髋关节包括由髋关节从动锥齿轮、髋关节第一主动锥齿轮、髋关节第二主动锥齿轮组成的差分驱动机构;其中三个锥齿轮参数相同;髋关节从动锥齿轮安装于髋关节轴上;髋关节从动锥齿轮分别与髋关节第一主动锥齿轮及髋关节第二主动锥齿轮啮合;髋关节第一主动锥齿轮由髋关节第一驱动电机驱动,髋关节第二主动锥齿轮由髋关节第二驱动电机驱动;髋关节第一驱动电机和髋关节第二驱动电机均安装于机身上;上述弹簧阻尼结构中间安装接触传感器;上述膝关节轴上安装膝关节角度传感器;上述小腿上安装有距离传感器,距离传感器与小腿平行;上述髋关节轴上安装髋关节角度传感器。所述的差分齿轮驱动机器人腿机构,其特征在于:所述的髋关节轴安装于机器人腿支撑架上,利用螺栓-滑块机构微调髋关节轴径向位置。所述的差分齿轮驱动机器人腿机构,其特征在于:上述髋关节第一主动锥齿轮和髋关节第二主动锥齿轮上分别安装同步轮;所述同步轮分别通过同步带由髋关节第一驱动电机或髋关节第二驱动电机驱动。所述的差分齿轮驱动机器人腿机构,其特征在于:上述膝关节驱动电机的输出轴平行于大腿安装。所述的差分齿轮驱动机器人腿机构,其特征在于:上述膝关节驱动电机的输出轴垂直于大腿安装,通过同步轮,由同步带传动,带动小腿运动。所述的差分齿轮驱动机器人的控制方法,其特征在于:通过同时改变髋关节第一驱动电机和髋关节第二驱动电机的运动速度和方向,同时实现机器人大腿的前后和上下运动;通过膝关节驱动电机实现小腿的运动,关节位置通过膝关节角度传感器、髋关节角度传感器测量后,通过PD控制算法实现;机器人腿运动过程中,通过嵌入小腿中的接触传感器感知足与环境的接触状态,通过固定到小腿上的距离传感器感知足端与接触面的距离,通过阻抗控制算法,实现足端与环境的柔顺控制,有效减小接触过程的冲击。本专利技术的优势在于:把机器人大腿关节2个驱动电机布置在机身上,膝关节驱动电机布置到大腿上,增大机身重量的同时减小小腿质量,从而有效简化机器人腿动力学方程。根据自然界中高速运动、具有高机性和适应性的动物的身体结构和关节自由度的分配,设计机器人腿的运动传递方式和结构,从而在满足机器人运动性能要求的前提下,降低机器人腿部重量。根据机器人腿动力学方程的简化要求,分配各部分的长度、质量等参数,使简化的动力学方程在设计范围内仍能体现机器人的机械特征,降低其运动控制的复杂度和算法的效率。附图说明图1 本专利技术差分齿轮驱动机器人腿机构图;图2 本专利技术机器人腿传感器安装示意图;图3 本专利技术机器人同步带调节部分安装图;图4 本专利技术差分齿轮驱动系统装配图;图5 本专利技术机器腿控制系统结构图;图中标号名称:1、足,2、脚踝,3、小腿,4、膝关节角度传感器,5、膝关节从动锥齿轮,6、膝关节主动锥齿轮,7、膝关节驱动电机,8、第一大腿夹板,9、第二大腿夹板,10、髋关节从动锥齿轮,11、第一同步轮,12、髋关节第一主动锥齿轮,13、髋关节第二主动锥齿轮,14、髋关节第一角度角度传感器,15、髋关节第二角度角度传感器,16、第三同步轮,17、第二同步轮,18、第四同步轮,19、髋关节第一驱动电机,20、髋关节第二驱动电机,21、距离传感器,22、接触传感器,23、腿支撑架,24、大腿轴,25、滑块,26、螺钉,27、调节螺钉,28、第一连接轴,29、同步轮,30、轴承,31、铜套,32、螺母,33、第二连接轴。具体实施方式如图1所示,差分驱动机器人腿机构主要包括髋关节、大腿、膝关节、小腿、踝关节和足,以及驱动电机组成。髋关节为差分齿轮驱动系统,主要包括髋关节从动锥齿轮10,髋关节第一主动锥齿轮12和髋关节第二主动锥齿轮13,带动整个机器人腿运动。髋关节第一主动锥齿轮12和髋关节第二主动锥齿轮13上分别安装第一同步轮11和第二同步轮17,通过同步带与安装在髋关节第一驱动电机19和髋关节第二驱动电机20上的第三同步轮16和第四同步轮18组成传动系统。髋关节第一驱动电机19和髋关节第二驱动电机20的输出轴上连接角度传感器髋关节第二角度角度传感器15和髋关节第一角度角度传感器14,电机自身已经安装了减速箱和光电编码器。通过同步控制髋关节第一驱动电机19和髋关节第二驱动电机20的转动角度和速度来控制差分驱动系统髋关节从动锥齿轮10的运动位置和速度。大腿由两块夹板组成,主要根据关节的连接方式而设计。髋关节第一驱动电机19和髋关节第二驱动电机20安装在机器人机身上,从而减小腿部的重量。膝关节为一对锥齿轮传动机构,由膝关节从动锥齿轮5、膝关节主动锥齿轮6组成,通过膝关节驱动电机7控制。膝关节驱动电机7安装在大腿夹板上,电机输出轴垂直于膝关节传动轴,通过锥齿轮改变运动方向的作用,把电机转动方向转换到关节轴的转动方向上。膝关机轴上安装膝关节角度传感器4,测量膝关节的转动角度,利用膝关节驱动电机7的光电编码器获得电机的转速,根据传动比计算膝本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种差分齿轮驱动机器人腿机构,包括大腿,小腿和足;其特征在于:上述足(1)通过脚踝(2)连接于所述小腿(3)下方,所述的脚踝为弹簧阻尼结构,所述足为弹性小球;上述小腿通过膝关节与所述大腿相连,所述膝关节包括膝关节轴、膝关节从动锥齿轮(5)、膝关节主动锥齿轮(6),膝关节从动锥齿轮(5)与膝关节主动锥齿轮(6)参数相同,膝关节从动锥齿轮(5)安装于膝关节轴上,膝关节主动锥齿轮(6)安装于膝关节驱动电机(7)的输出轴,膝关节驱动电机(7) 安装于大腿上,膝关节驱动电机(7)的输出轴与膝关节轴垂直;上述大腿通过髋关节与机身相连,所述髋关节包括由髋关节从动锥齿轮(10)、髋关节第一主动锥齿轮(12)、髋关节第二主动锥齿轮(13)组成的差分驱动机构;其中三个锥齿轮参数相同;髋关节从动锥齿轮(10)安装于髋关节轴(24)上;髋关节从动锥齿轮(10)分别与髋关节第一主动锥齿轮(12)及髋关节第二主动锥齿轮(13)啮合;髋关节第一主动锥齿轮(12)由髋关节第一驱动电机(19)驱动,髋关节第二主动锥齿轮(13)由髋关节第二驱动电机(20)驱动;髋关节第一驱动电机(19)和髋关节第二驱动电机(20)均安装于机身上;上述弹簧阻尼结构中间安装接触传感器(22);上述膝关节轴上安装膝关节角度传感器(4);上述小腿上安装有距离传感器(21),距离传感器(21)与小腿平行;上述髋关节轴上安装髋关节角度传感器。...

【技术特征摘要】
1.一种差分齿轮驱动机器人腿机构,包括大腿,小腿和足;其特征在于:上述足(1)通过脚踝(2)连接于所述小腿(3)下方,所述的脚踝为弹簧阻尼结构,所述足为弹性小球;上述小腿通过膝关节与所述大腿相连,所述膝关节包括膝关节轴、膝关节从动锥齿轮(5)、膝关节主动锥齿轮(6),膝关节从动锥齿轮(5)与膝关节主动锥齿轮(6)参数相同,膝关节从动锥齿轮(5)安装于膝关节轴上,膝关节主动锥齿轮(6)安装于膝关节驱动电机(7)的输出轴,膝关节驱动电机(7) 安装于大腿上,膝关节驱动电机(7)的输出轴与膝关节轴垂直;上述大腿通过髋关节与机身相连,所述髋关节包括由髋关节从动锥齿轮(10)、髋关节第一主动锥齿轮(12)、髋关节第二主动锥齿轮(13)组成的差分驱动机构;其中三个锥齿轮参数相同;髋关节从动锥齿轮(10)安装于髋关节轴(24)上;髋关节从动锥齿轮(10)分别与髋关节第一主动锥齿轮(12)及髋关节第二主动锥齿轮(13)啮合;髋关节第一主动锥齿轮(12)由髋关节第一驱动电机(19)驱动,髋关节第二主动锥齿轮(13)由髋关节第二驱动电机(20)驱动;髋关节第一驱动电机(19)和髋关节第二驱动电机(20)均安装于机身上;上述弹簧阻尼结构中间安装接触传感器(22);上述膝关节轴上安装膝关节角度传感器(4);上述小腿上安装有距离传感器(21),距离传感器(21)与小腿平行;上述髋关节轴上安装...

【专利技术属性】
技术研发人员:李宏凯徐晓东李博涵施阳
申请(专利权)人:南京航空航天大学
类型:发明
国别省市:江苏;32

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